니호늄
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1. 개요
니호늄(Nihonium, Nh)은 2016년 공식 명명된 113번 원소로, 일본의 이화학연구소(RIKEN)에서 발견되어 일본을 의미하는 '니혼'(Nihon)에서 이름을 따왔다. 2004년 러시아와 미국의 공동 연구팀이 모스코븀 합성을 통해 113번 원소를 발견했다고 발표했으나, 명명권을 얻지 못했다. 이화학연구소는 아연을 비스무트에 충돌시키는 실험을 통해 니호늄-278 원자를 합성하는 데 성공했으며, 2015년 국제순수·응용화학연합(IUPAC)으로부터 발견을 공식 인정받아 명명권을 획득했다. 니호늄은 7p 오비탈의 스핀-궤도 상호작용으로 인해 가벼운 13족 원소나 탈륨과는 다른 화학적 성질을 보일 것으로 예측되며, 현재까지 8개의 동위원소가 발견되었다.
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니호늄 | |
---|---|
일반 정보 | |
원소 이름 | 니호늄 |
원소 기호 | Nh |
원자 번호 | 113 |
원자 질량 | [286] |
CAS 등록번호 | 54084-70-7 |
주기율표 정보 | |
족 | 13 |
주기 | 7 |
블록 | p |
왼쪽 원소 | 코페르니슘 |
오른쪽 원소 | 플레로븀 |
위쪽 원소 | 탈륨 |
아래쪽 원소 | 불명 |
전자 정보 | |
전자 배치 | Rn] 5f14 6d10 7s2 7p1 |
껍질 당 전자 수 | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 |
물리적 성질 (예측) | |
외형 | 불명 |
상태 | 고체 |
녹는점 | 400 °C (예상) |
끓는점 | 1100 °C (예상) |
원자 관련 정보 | |
공유 반지름 | 136 pm |
동위 원소 | |
동위 원소 정보 | 니호늄-278 (인공 방사성 동위 원소, 0.34 ms, 알파 붕괴, 11.68 MeV, 274Rg) 니호늄-282 (인공 방사성 동위 원소, 73 ms, 알파 붕괴, 10.63 MeV, 278Rg) 니호늄-283 (인공 방사성 동위 원소, 0.10 s, 알파 붕괴, 10.12 MeV, 279Rg) 니호늄-284 (인공 방사성 동위 원소, 0.49 s, 알파 붕괴, 10.00 MeV, 280Rg) 니호늄-285 (인공 방사성 동위 원소, 5.5 s, 알파 붕괴, 9.74 MeV, 9.48 MeV, 281Rg) 니호늄-286 (인공 방사성 동위 원소, 19.6 s, 알파 붕괴, 9.63 MeV, 282Rg) |
2. 역사
2004년 2월 1일, 러시아의 두브나 원자핵공동연구원(JINR)과 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소 합동 연구팀은 모스코븀의 알파 붕괴 과정에서 113번 원소를 발견했다고 발표했지만, 확정되지 않아 명명권을 얻지 못했다.[9]
2004년 9월 28일, 일본 이화학연구소는 선형가속기 리니액을 이용해 아연 원자핵 빔을 비스무트 원자핵에 충돌시키는 실험으로 니호늄-278 원자를 발견했다고 발표했다. 2012년 8월 12일, 이화학연구소는 다시 니호늄-278 원자를 발견했다고 발표했다.
1981년부터 1996년까지 독일 GSI 헬름홀츠 중이온 연구소에서는 보륨부터 코페르니슘까지의 원소 합성을 냉핵융합 반응을 통해 수행했다. 이 방법은 납과 비스무트 표적에 4주기 원소의 무거운 이온을 충돌시키는 방식이었다.
유리 오가네시안이 이끄는 러시아 합동핵연구소(JINR) 연구팀은 무거운 악티늄족 표적에 가벼운 이온을 충돌시키는 고온 핵융합 기술을 사용했다.
국제순수·응용화학연합(IUPAC)과 국제순수·응용물리연합(IUPAP)의 합동 실무단(JWP)은 새로운 원소 발견 주장을 검토하고 명명권을 결정한다. 2015년 12월, IUPAC은 모스코븀, 테네신, 오가네손과 함께 113번 원소(니호늄) 발견을 공식 인정하고, 일본 이화학연구소에 명명권을 부여했다.[81]
2. 1. 초기 발견 시도
1998년, 러시아 두브나 원자핵공동연구원(JINR)과 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 공동 연구팀은 플루토늄-244 표적에 칼슘-48 이온을 충돌시켜 114번 원소(플레로븀) 합성을 시도했다.:244Pu + 48Ca → 292114* → 290114 + 21n + e− → 290113 + νe ?
이 실험에서 289114 동위원소로 추정되는 단일 원자가 관찰되었고, 1999년 1월에 결과가 발표되었다.[5] 그러나 이 반응을 반복하려는 여러 시도에도 불구하고, 동일한 붕괴 특성을 가진 동위원소는 다시 발견되지 않아 이 결과의 정확한 정체는 밝혀지지 않았다.[6] 2016년 지그문트 호프만(Sigurd Hofmann) 등의 논문에 따르면, 1998년의 실험 결과는 생성된 복합핵에서 두 개의 중성자가 방출되어 290114가 생성되고, 이것이 전자 포획을 통해 290113으로 붕괴했을 가능성이 가장 크다고 한다. 이는 113번 원소 동위원소의 붕괴 사슬에 대한 최초의 보고였지만, 당시에는 인정되지 않았고, 여전히 불확실하다. 1999년 3월 JINR 연구팀이 242Pu + 48Ca 반응에서 관찰한 유사한 장수명 활동은 287114의 전자포획 딸핵종인 287113 때문일 가능성도 있다.
2. 2. 러시아-미국 공동 연구 (2003~2010)
2003년 8월, 러시아의 두브나 원자핵공동연구원(JINR)과 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 공동 연구팀은 아메리슘-243 표적에 칼슘-48 발사체를 충돌시켜 115번 원소를 합성하고, 그 알파 붕괴 생성물에서 113번 원소를 확인했다고 발표하였다.[9] 이 실험에서 105번 원소인 더브늄의 동위원소가 자발 핵분열로 붕괴하는 과정까지 관찰되었다.[9] 그러나 이 당시에는 113번 원소의 발견이 확정되지 않아 명명권을 얻지는 못했다.: + → 291115* → 288115 + 3 → 284113 +
: + → 291115* → 287115 + 4 → 283113 +
2004년 2월 1일, JINR-LLNL 공동 연구팀은 이 발견에 대한 결과를 발표했다.[9]
2006년에는 두브나 합동핵연구소와 로렌스 리버모어 국립연구소의 합동 연구팀이 넵투늄과 칼슘으로부터 113번 원소 합성에 성공했다고 발표했다.
2009년에는 두브나 합동핵연구소와 미국의 오크리지 국립 연구소 등이 버클륨과 칼슘으로부터 117번 원소[77]를 핵합성하는 공동 연구에서 그 붕괴 과정에서 113번 원소를 검출했다.
2. 3. 일본 이화학연구소 연구팀의 연구 (2004~2012)
2004년 9월 28일, 일본의 이화학연구소(RIKEN)는 113번 원소 합성에 성공했다고 발표했다. 선형가속기 리니액(RILAC)을 사용하여 초당 2.5조 개의 아연(70Zn) 원자핵 빔을 비스무트(209Bi) 원자핵에 80일 동안 조사하여 약 1.7 × 1019회 충돌시켰다. 그 결과, 2004년 7월 23일 실험에서 원자 융합으로 인한 니호늄-278 원자 하나를 발견했다.[12]생성된 니호늄-278 원자는 344마이크로초 만에 알파 붕괴하여 뢴트게늄 동위원소가 되었다. 2005년 4월 2일, 같은 방법으로 진행한 합성에서 두 번째 니호늄-278 원자를 검출했다.
리켄 연구팀은 278113에서 네 번의 알파 붕괴를 관찰하여, 274Rg, 270Mt, 266Bh를 거쳐 262Db의 자발 핵분열로 끝나는 붕괴 사슬을 확인했다.[12] 266Bh의 알파 붕괴 데이터는 2000년 데이터와 일치하여 주장을 뒷받침했다. 딸핵종인 262Db의 자발적 핵분열은 이전까지 알려지지 않았으며, 미국 연구팀은 이 핵종에서 알파 붕괴만을 관찰했었다.[16]
2012년 9월 27일, 이화학연구소는 세 번째 합성 성공을 발표했다. 이번에는 278Nh가 6번의 알파 붕괴를 거쳐 멘델레븀(254Md)이 되는 붕괴 사슬을 처음으로 확인했다. 이전 두 경우에는 4번째 알파 붕괴에서 생성되는 더브늄(262Db)이 자발 핵분열했지만, 이번에는 알파 붕괴(확률은 2/3)하고, 다음 로렌슘(258Lr)도 알파 붕괴하여 254Md가 되는 것을 관측하여 합성한 원자핵이 113번 원소임을 증명할 수 있었다.
2. 4. 발견 인정 및 명명권 부여 (2015~2016)
2015년 12월, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 모스코븀, 테네신, 오가네손과 함께 113번 원소의 발견을 공식적으로 인정하였다. 이에 따라 일본 이화학연구소가 발견자로 인정되어 명명권을 얻게 되었다.[81]국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)과 국제순수 및 응용물리연합(IUPAP)의 IUPAC/IUPAP 합동 실무단(JWP)은 새로운 원소 발견에 대한 주장을 검토하고, 원소에 대한 과학적 우선권과 명명권을 결정한다. JWP 기준에 따르면, 발견은 원소가 이전에 관찰된 모든 값과 다른 원자 번호를 가지고 있음을 증명해야 하며, 다른 실험실에서 반복적으로 확인하는 것이 바람직하지만, 데이터의 질이 매우 높은 경우에는 이 요건이 면제될 수 있다.
일본 이화학연구소 팀은 2004년 7월 23일과 2005년 4월 2일 두 차례의 합성을 통해 113번 원소를 발견했다고 발표했지만, 2011년 1월에 발표된 IUPAC과 IUPAP의 공동 작업부회 보고서에서는 113번 원소의 인정은 보류되었다. 반면 미국과 러시아 그룹은 114번과 116번 원소의 발견을 인정받았다. 이는 일본 이화학연구소처럼 확실한 증거가 없더라도 충분한 정황 증거가 있으면 명명권을 얻을 수 있다는 선례가 되어, 일본 이화학연구소에게는 불리하게 작용했다.
일본 이화학연구소 팀은 2012년 8월 12일에 세 번째 생성에 성공하여 추가 증거를 제출했지만, 즉시 인정되지는 않았다. 2015년 8월 IUPAC 이사회에서는 인정 및 명명권 부여가 검토되었지만 결정이 연기되었고, 같은 해 12월 30일(일본 시간 31일 새벽)에야 비로소 인정되었다.
113번 원소에 대해 이화학연구소는 중간 정도의 무게를 가진 원자핵끼리 재료로 하는 "차가운 핵융합(콜드 퓨전)"을 통해 자발 핵분열을 일으키지 않고 기존의 핵종에 붕괴 계열이 연결되는 확실한 증거를 얻는 데 성공했다.
일본 이화학연구소 팀이 러시아 두브나 합동핵연구소와 미국의 로렌스 리버모어 국립 연구소, 오크리지 국립 연구소의 공동 연구팀과 명명권을 놓고 경쟁한 끝에, 2015년 12월 30일 IUPAC 이사회는 이화학연구소 연구팀에 113번 원소의 명명권을 부여했다. 연구팀은 2016년 3월 18일에 IUPAC에 명칭 후보를 제출했고, 2016년 6월 8일에 "nihonium(니호늄)"(원소 기호: Nh)이라는 명칭 후보가 발표되어, 약 5개월 동안 공개 검토를 받은 후, 2016년 11월 30일에 니호늄으로 공식 결정되었다.
3. 명명
모리타 고스케 교수가 이끄는 이화학연구소 연구팀은 2016년 3월에 새 원소 이름으로 '니호늄'(Nihonium)을 국제순수·응용 화학 연합(IUPAC)에 제안했다.[82][83] IUPAC은 여러 의견을 수렴하여 2016년 말에 공식적으로 원소 이름을 확정했다.
새 이름이 확정되기 전까지는 IUPAC이 부여한 임시 이름인 '우눈트륨'이 사용되었다. 일부 연구자들은 멘델레예프 명명법에 따라 '에카-탈륨'이라는 이름으로 부르기도 했다.
일본에서는 처음 발견된 원소 이름으로 '자포늄'(Japonium, Jp)이나 이화학연구소의 약칭인 리켄(理研, りけん일본어)에서 유래한 '리케늄'(Rikenium, Rk) 등이 제안되기도 했다.
2016년 6월 8일, 이화학연구소는 우눈트륨의 이름을 니호늄(Nihonium, Nh)으로 최종 결정했고, 국제순수응용화학연합(IUPAC)도 113번 원소 명명법을 니호늄으로 결정했다.
니호늄 외에도 다음과 같은 이름들이 제안되었다.
제안된 이름 | 설명 |
---|---|
니시나늄(Nishinanium) | 일본의 물리학자 니시나 요시오 |
니호늄(Nihonium) | 일본의 일본어 발음 "니혼"(にほん일본어) |
리케늄(Rikennium) | 이화학연구소의 약칭 리켄(RIKEN) |
자포늄(Japonium) | 일본의 라틴계 언어 이름 |
3. 1. 명명 과정
2016년 3월, 이화학연구소 연구팀 리더인 모리타 고스케 교수는 새 원소의 이름으로 '''니호늄'''(Nihonium)을 국제순수·응용 화학 연합(IUPAC)에 제안했다.[82][83] IUPAC은 다른 사람들의 의견을 수렴한 후, 2016년 말에 공식적으로 원소 이름을 결정했다.새 이름이 결정될 때까지는 IUPAC이 부여한 임시 이름인 "우눈트륨"이 사용되었다. 일부 연구자들은 이 원소를 멘델레예프 명명법에 따라 "에카-탈륨"이라는 이름으로 부르기도 했다.
일본에서는 최초로 발견된 원소 이름으로 "자포늄"(Japonium, Jp)이나 "리케늄"(Rikenium, Rk; 일본 이화학연구소의 약어인 리켄(理研, りけん일본어)에서 유래) 등이 제안되기도 했다.
2016년 6월 8일, 우눈트륨의 발견자인 이화학연구소는 원소의 이름을 니호늄(Nihonium, Nh)으로 최종 결정했으며, IUPAC도 이날 113번 원소 명명안 발표에서 원소의 명명법을 니호늄으로 결정했다.
제안된 이름 | 설명 |
---|---|
니시나늄(Nishinanium) | 일본의 물리학자 니시나 요시오 |
니호늄(Nihonium) | 일본의 일본어 발음 "니혼"(にほん일본어) |
리케늄(Rikennium) | 이화학연구소의 약칭 리켄(RIKEN) |
자포늄(Japonium) | 일본의 라틴계 언어 이름 |
IUPAC 전 회장인 세실리아 야를스코그(Cecilia Jarlskog)는 2016년 6월 스웨덴 베카스코그 성(Bäckaskog Castle)에서 열린 초중원소에 관한 노벨 심포지엄에서 새로운 원소 승인 과정에 대한 개방성 부족을 비판하며, JWP의 작업에 결함이 있다고 생각하며 새로운 JWP에 의해 다시 수행되어야 한다고 말했다. 물리학자들을 대상으로 한 설문 조사에 따르면 많은 사람들이 JWP 보고서에 대한 룬드-GSI 2016 비판이 타당하다고 생각했지만, 작업이 다시 이루어지면 결론은 유지될 것이라는 의견이 일반적이었다. 따라서 새로운 회장인 브루스 맥켈러(Bruce McKellar)는 제안된 이름을 IUPAP-IUPAC 합동 보도 자료로 발표해야 한다고 판결했다.[41] IUPAC과 IUPAP은 그해 6월 "니호늄(nihonium)" 제안을 발표[42]하고 의견 수렴을 위한 5개월의 기간을 설정했으며, 그 후 회의에서 공식적으로 이름이 확정될 예정이었다.[43][44] 이 이름은 2016년 11월 28일에 공식적으로 승인되었다.[45] 새로운 원소의 명명식은 2017년 3월 14일 일본 도쿄에서 당시 일본 황태자인 나루히토가 참석한 가운데 열렸다.[46]
3. 2. 명명 논란 (선택 사항)
2015년 12월, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 새로운 공동 작업반(JWP) 보고서의 결론을 통해 원소 113의 발견 공로를 일본 이화학연구소(RIKEN)에, 원소 115, 117, 118은 러시아 핵 연구소(JINR)가 참여한 국제 공동 연구팀에 배정한다고 발표했다. 이는 역사상 처음으로 아시아 물리학자 팀이 새로운 원소의 이름을 짓게 된 것이다.JINR은 2003년에 이미 원소 115와 113을 합성했음을 언급하며, IUPAC이 과거 원소 103(로렌슘), 104(러더퍼듐), 105(더브늄)에 대해 JINR과 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL)에 공동 발견 공로를 인정한 선례를 들어 이화학연구소에 원소 113의 발견 공로를 인정한 것에 대해 예상 밖이라는 반응을 보였다. 그러나 그들은 IUPAC의 결정을 존중하며, JWP 보고서가 공식적으로 발표될 때까지 입장을 확정하지 않겠다고 밝혔다.
2016년 1월 21일에 발표된 JWP 보고서에서, JWP는 원소 113의 발견을 인정하고 이화학연구소에 우선권을 부여했다. 보고서는 278113의 붕괴 사슬에서 각 핵종의 개별 붕괴 에너지가 일치하지 않았지만, 그 합계는 일치하며, 278113과 그 딸핵종인 262Db의 초기 상태와 최종 상태가 세 가지 사례 모두에서 동일하다는 것을 강력하게 시사한다고 언급했다. 또한 262Db에서 258Lr과 254Md로의 붕괴는 이미 알려져 있었으므로, 278113의 붕괴 사슬이 주기율표 상의 알려진 영역에 확실히 연결된다고 판단했다.
JWP는 2004년과 2007년 JINR-LLNL 공동 연구 결과는 붕괴 사슬이 이전에 알려진 핵종에 연결되지 않아 교차 폭격을 통해 핵종의 원자 번호를 확실하게 결정하지 못했기 때문에 발견 기준을 충족하지 못했다고 판단했다. 또한 더브늄 딸핵종의 화학적 동정에 대한 우려 사항도 적절히 해결되지 않았다고 보았다. JWP는 2010년 JINR-LLNL-ORNL-반더빌트 공동 연구팀이 원소 117과 115를 발견한 것을 인정하고, 원소 113이 그들의 딸핵종으로 생성된 것을 받아들였지만, 이 연구에 공동 발견 공로를 부여하지는 않았다.[20]
JWP 보고서 발표 후, 세르게이 디미트리예프 JINR 플레로프 연구소 소장은 이화학연구소가 실험에 사용한 시간과 모리타와의 좋은 관계를 언급하며 IUPAC의 결정에 만족한다고 밝혔다. 모리타는 JINR에서 초중원소 합성의 기본을 배웠다.
2016년 5월, 룬드 대학교와 GSI의 연구는 JWP가 원소 113의 발견 승인에서 제기한 합계 인자에 대해 비판했다. 이들은 붕괴 사슬에서 감마 붕괴 또는 내부 전환이 발생하지 않는 경우에만 합계 인자가 유효하며, 홀수 핵종의 경우에는 그럴 가능성이 적고, 278113 붕괴 사슬에서 측정된 알파 붕괴 에너지의 불확실성이 이 가능성을 배제할 만큼 충분히 작지 않다고 지적했다. 그러나 이 연구는 원소 113에 대한 이화학연구소의 데이터는 일치하는 것으로 나타났고, 원소 115와 113에 대한 JINR팀의 데이터는 아마 일치할 것이므로, 원소 113의 발견에 대한 IUPAC 승인을 뒷받침했다. JINR 팀의 두 명의 구성원은 2017년 6월 원소 113, 115, 117에 대한 그들의 데이터 일치에 대한 이러한 비판에 반박하는 논문을 발표했다.
4. 성질
스핀-궤도 상호작용 탓에 7p 오비탈 중 하나가 특별히 안정해져서 13족 원소의 가벼운 동족원소와는 성질이 다를 것으로 예측된다.
니호늄(Nh) 또는 그 화합물의 특성은 극소량만 측정되었다. 이는 니호늄의 생산이 매우 제한적이고 비용이 많이 들며,[57] 매우 빠르게 붕괴되기 때문이다.
성질 | 니호늄 (예측) | 탈륨 |
---|---|---|
원자 반지름 | 약 170 pm | 약 170 pm |
밀도 | 약 16~18 g/cm3 | 11.85 g/cm3 |
결정 구조 | 육방 조밀 충진 구조 | 육방 조밀 충진 구조 |
녹는점 | 430°C | 304°C |
끓는점 | 1100°C | 1473°C |
체적 탄성률 | 약 20.8 GPa | 43 GPa |
첫 번째 이온화 에너지 | 7.306 eV | 6.108 eV |
표준 전극 전위(Nh+/Nh) | 0.6 V | -0.34 V |
주요 산화 상태 | +1 | +1 |
니호늄은 7s2 7p2 배열에서 원자가 껍질이 닫히므로, 아스타틴처럼 폐각 원자가 껍질에 p 전자가 하나 부족하다고 볼 수 있다. 따라서 니호늄은 13족 원소이지만, 할로겐(플루오린, 염소, 브롬, 요오드, 아스타틴)과 같이 -1 산화 상태를 형성할 수 있다. 이 상태는 탈륨보다 더 안정적일 것이다. 니호늄은 13족 금속 원소 중 가장 전기음성도가 클 것으로 예상되며, 할로겐의 7주기 동족체인 테네신보다도 더 전기음성도가 클 것이다.
니호늄은 +3, +5와 같은 더 높은 산화 상태도 가질 수 있다. +5 산화 상태는 가벼운 13족 원소에는 알려져 있지 않다.
4. 1. 물리적 성질
니호늄(Nh)은 주기율표에서 7p 계열의 첫 번째 원소이자 13족에서 가장 무거운 원소로, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨의 아래에 위치한다. 붕소를 제외한 다른 13족 원소들이 금속이므로, 니호늄 역시 금속일 것으로 예상된다. 하지만 니호늄은 스핀-궤도(SO) 상호작용의 영향으로 인해 가벼운 동족체들과는 상당히 다른 성질을 보일 것으로 예측된다. 특히 초중원소의 경우 전자가 빛의 속도에 가까운 매우 빠른 속도로 움직이기 때문에 이 상호작용이 매우 강하게 나타난다.이러한 스핀-궤도 상호작용은 니호늄의 7s 및 7p 전자 에너지 준위를 낮추어 전자를 안정화시키지만, 7p 전자 에너지 준위 중 두 개는 다른 네 개보다 더 안정화된다.[58] 7s 전자의 안정화는 불활성 쌍 효과라고 불리며, 7p 부껍질은 더 안정화된 부분(7p1/2)과 덜 안정화된 부분(7p3/2)으로 분리된다. 이러한 이유로 니호늄의 원자가 전자 배치는 7s27p1/21로 나타낼 수 있다.
주기율표 경향성에 따르면 니호늄은 탈륨보다 원자 반지름이 커야 하지만, 상대론적 효과로 인해 7s와 7p1/2 궤도가 수축하여 탈륨과 비슷한 약 170pm의 원자 반지름을 가질 것으로 계산되었다. 니호늄 원자는 탈륨 원자보다 무겁지만 부피는 비슷하기 때문에, 니호늄의 밀도는 탈륨(11.85g/cm3)보다 훨씬 높은 약 16g/cm3~18g/cm3로 예상된다.[62] 또한, 니호늄은 탈륨과 같이 육방 조밀 충진 구조를 가질 것으로 예상된다.
니호늄의 녹는점과 끓는점은 각각 430°C와 1100°C로 예측되며, 이는 인듐과 탈륨보다 높은 값이다. 니호늄의 체적 탄성률은 약 20.8GPa로 탈륨(43GPa)의 절반 정도이다.
니호늄의 첫 번째 이온화 에너지는 7.306eV로 예상되며, 이는 13족 금속 중 가장 높은 값이다.
4. 2. 화학적 성질
니호늄(Nh) 화합물은 생산이 매우 제한적이고 빠르게 붕괴되기 때문에 극소량만 측정되었다.[57] 따라서 니호늄의 특성은 대부분 예측값만 알려져 있다.니호늄은 주기율표에서 7p 계열의 첫 번째 원소이자 13족에서 가장 무거운 원소로, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 아래에 위치한다. 붕소를 제외한 13족 원소는 모두 금속이며, 니호늄도 금속일 것으로 예상된다.
니호늄은 강한 스핀-궤도(SO) 상호작용 때문에 가벼운 동족체와 많은 차이를 보일 것으로 예상된다. 이는 초중원소의 전자가 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이기 때문이다. 이 상호작용은 7s 및 7p 전자 에너지 준위를 낮추지만(전자를 안정화), 7p 전자 에너지 준위 중 두 개는 다른 네 개보다 더 안정화된다.[58] 7s 전자의 안정화는 불활성 쌍 효과라고 하며, 7p 부껍질이 더 안정화된 부분과 덜 안정화된 부분으로 분리되는 것을 부껍질 분리라고 한다. 계산 화학자들은 이 분리를 두 번째 방위 양자수 ''l''이 7p 부껍질의 더 안정화된 부분과 덜 안정화된 부분에 대해 각각 1에서 1/2와 3/2로 변화하는 것으로 본다. 이론적으로, 원자가 전자 배치는 7p 부껍질 분리를 반영하여 7s2 7p1/21로 나타낼 수 있다.
주기적 경향에 따르면 니호늄은 탈륨보다 원자 반지름이 클 것으로 예상되지만, 계산에 따르면 니호늄의 원자 반지름은 탈륨과 같은 약 170 pm이다. 이는 7s와 7p1/2 궤도의 상대론적 안정화 및 수축 때문이다. 따라서 니호늄은 탈륨(11.85 g/cm3)보다 훨씬 더 높은 밀도(약 16~18 g/cm3)를 가질 것으로 예상된다.[62] 벌크 니호늄은 탈륨과 마찬가지로 육방 조밀 충진 구조 결정 구조를 가질 것으로 예상된다. 니호늄의 융점과 끓는점은 각각 430 °C와 1100 °C로 예측되며, 이는 인듐과 탈륨보다 높은 값이다.
니호늄의 화학적 성질은 탈륨과 매우 다를 것으로 예상된다. 니호늄은 7s 부껍질의 안정화로 인해 탈륨보다 반응성이 낮을 것이다. Nh+/Nh 쌍의 표준 전극 전위는 0.6 V로 예측된다.
13족 금속 원소는 일반적으로 +1과 +3의 두 가지 산화 상태를 갖는다. 니호늄은 +1 산화 상태가 더 안정적일 것으로 예상된다.
가장 간단한 니호늄 화합물은 일수소화물(NhH)이다. SO 상호작용으로 인해 니호늄 일수소화물의 결합 에너지가 약 1 eV 감소하고 니호늄-수소 결합 길이가 감소한다.[59] Nh–H 결합은 상당한 파이 결합 특성을 가질 것으로 예상된다.[60] 유사한 일불화물(NhF)도 존재할 것이다.[62] 니호늄(I)은 은(I)과 탈륨(I)보다 더 유사할 것으로 예측된다. Nh+ 이온은 음이온과 더 잘 결합하여, NhCl은 과량의 염산 또는 암모니아에 잘 녹을 것이다. Nh+ 양이온은 양쪽성 산화물 Nh2O로 완전히 가수분해될 것이며, 이는 수용액 암모니아에 녹고 물에는 약간 녹을 것이다.
니호늄은 7s2 7p2 배열에서 원자가 껍질이 닫히므로, 아스타틴처럼 폐각 원자가 껍질에 p 전자가 하나 부족하다고 볼 수 있다. 따라서 니호늄은 13족 원소이지만, 할로겐(플루오린, 염소, 브롬, 요오드, 아스타틴)과 같이 -1 산화 상태를 형성할 수 있다. 이 상태는 탈륨보다 더 안정적일 것이다. 니호늄은 13족 금속 원소 중 가장 전기음성도가 클 것으로 예상되며, 할로겐의 7주기 동족체인 테네신보다도 더 전기음성도가 클 것이다. NhTs 화합물에서 음전하는 테네신 원자가 아닌 니호늄 원자에 있을 것으로 예상된다.[62] 니호늄의 전자 친화도는 약 0.68 eV로 계산되는데, 이는 탈륨보다 높다.
니호늄은 +3, +5와 같은 더 높은 산화 상태도 가질 수 있다. 니호늄이 +3 산화 상태를 갖는 화합물은 삼수소화물(NhH3), 삼불화물(NhF3), 삼염화물(NhCl3) 등이 있다. 이들은 T자형일 것으로 예측된다. 이는 6d5/2 전자의 결합에 대한 영향 때문이다.[60]
선형 종(예: HgF2)과 다른 두 리간드에 수직인 니호늄의 7p 궤도를 포함하는 추가 Nh–X 결합으로, 이러한 화합물은 모두 X2 분자의 손실과 니호늄(I)으로의 환원에 대해 매우 불안정할 것으로 예상된다.[60]
:NhX3 → NhX + X2
따라서 니호늄은 +3 산화 상태의 안정성이 감소하는 경향을 이어받는다.
+5 산화 상태는 가벼운 13족 원소에는 알려져 있지 않다. 니호늄 펜타수소화물(NhH5) 및 펜타불화물(NhF5)은 정사각뿔형 분자 기하를 가져야 하지만, X2 분자의 손실과 니호늄(III)으로의 환원에 대해 매우 불안정할 것이다. 니호늄 삼불화물 및 펜타불화물 분자의 구조는 삼불화염소 및 펜타불화물과 동일하다.[60]
4. 3. 동위원소
니호늄은 안정한 동위원소를 가지지 않으며, 자연 상태에서는 존재하지 않는다.[49] 실험실에서 두 원자를 융합하거나 더 무거운 원소의 붕괴를 관찰하는 방식으로 여러 방사성 동위원소가 합성되었다. 질량수가 278, 282~287, 290인 여덟 가지 동위원소가 보고되었으며(287Nh와 290Nh는 확인되지 않음), 이들은 모두 뢴트게늄 동위원소로 알파 붕괴를 통해 붕괴한다.[49] 다만, 니호늄-284는 코페르니슘-284로 전자 포획을 통해 붕괴할 가능성도 제기되었으나, 모델에 따라 부분 반감기 추정치가 크게 달라진다.[50] 니호늄-285는 자발 핵분열을 일으키는 것으로도 보고되었다.[48]원자 번호가 96번인 퀴륨 이후부터 핵의 안정성은 원자 번호가 증가함에 따라 급격히 감소한다. 퀴륨보다 무거운 원소들의 반감기는 퀴륨의 반감기보다 만 배 이상 짧다. 원자 번호가 101번보다 큰 모든 동위원소는 30시간 이내에 방사성 붕괴를 겪는다. 이는 양성자 간의 쿨롱 반발력이 커져서 강한 핵력이 자발적 핵분열로부터 핵을 오랫동안 지켜주지 못하기 때문이다. 계산에 따르면, 다른 안정화 요인이 없다면 양성자가 103개 이상인 원소는 존재할 수 없다. 1960년대의 연구자들은 114개의 양성자와 184개의 중성자를 갖는 닫힌 핵 껍질이 이러한 불안정성을 상쇄하여, 수천 년에서 수백만 년의 반감기를 갖는 핵종을 포함하는 "안정성의 섬"을 만들 것이라고 제안했다. 안정성의 섬 존재는 아직 증명되지 않았지만, 초중원소(니호늄 포함)의 존재는 안정화 효과가 실제로 존재함을 보여준다. 일반적으로 알려진 초중원소 핵종은 안정성의 섬 예측 위치에 가까워질수록 수명이 길어진다.[51][52]
모든 니호늄 동위원소는 불안정하며 방사성을 띤다. 무거운 니호늄 동위원소일수록 안정성의 섬 중심에 더 가깝기 때문에 가벼운 동위원소보다 더 안정적이다. 가장 안정한 것으로 알려진 니호늄 동위원소는 286Nh이며, 반감기는 8초이다. 285Nh 동위원소와 확인되지 않은 287Nh 및 290Nh 동위원소는 1초 이상의 반감기를 갖는 것으로 보고되었다. 284Nh와 283Nh 동위원소의 반감기는 각각 0.90초와 0.12초이다. 나머지 두 동위원소의 반감기는 0.1초에서 100밀리초 사이이다. 282Nh의 반감기는 61밀리초이며, 가장 가벼운 니호늄 동위원소인 278Nh의 반감기는 2.0밀리초로 가장 짧다. ''N'' = 184에서 닫힌 중성자 껍질 근처에서 반감기가 급격히 증가하는 현상은 뢴트게늄, 코페르니슘, 니호늄(111번에서 113번 원소)에서 관찰되며, 추가되는 중성자마다 반감기가 5배에서 20배까지 증가한다.[52][53]
5. 한국과의 관계
니호늄 발견은 한국 과학계에 중이온 가속기 개발의 중요성을 다시 한번 상기시키는 계기가 되었다. 비록 직접적인 발견은 러시아와 일본의 공동 연구를 통해 이루어졌지만, 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기 사업단도 간접적으로 기여했다.
5. 1. 한국의 관점
ニホニウム|니호늄일본어 발견을 위한 공동 연구는 주로 러시아와 일본 연구소를 중심으로 이루어졌지만, 한국의 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기 사업단에서도 간접적으로 기여했다. 특히, 2017년 합동핵연구소(JINR) 실험에서 ニホニウム|니호늄일본어 원자가 PTFE 표면에 예상외로 많이 흡착되어 관찰되지 않았던 문제는, 향후 한국의 중이온가속기 '라온'을 활용한 추가 연구를 통해 해결될 수 있을 것으로 기대된다.6. 기타
리켄 팀의 "니호늄" 발견을 기념하여, 사이타마현 와코시에서는 "리켄 신원소 발견 기념 사업"을 시작했다[1]. 와코역(和光市駅)에서 리켄(서문 앞)까지 약 1.1킬로미터(km)의 도로(道路)를 상징(象徴) 도로인 "'''니호늄거리'''"로 정비한다고 2016년 11월 30일에 발표했다[1][2][5][6]. 2016년 11월 1일부터 20일까지 와코시가 시민 투표(投票)를 실시하여, 425표 중 165표를 얻어 "니호늄거리"로 결정되었다[1][2][3][4]. 또한, 이 구간을 포함한 리켄 앞 시도(市道) 524호 및 527호 일부(약 1,268미터(m))의 노선명을 니호늄의 원자 번호를 따서 '''113호'''로 변경했다[2][5].
2018년(2018年) 말까지 이 도로의 보도(歩道)에 원자 번호 1번부터 118번까지의 원소 기호가 그려진 노면 플레이트 118매(한 변 30센티미터(cm), 약 10m 간격)와 113번 니호늄의 원소 기호 "Nh"가 그려진 대형 플레이트 1매(한 변 120cm, 리켄 서문 앞)[1][2][7]의 설치가 완료되었다[8]. 시민이 이화학(理化学)에 접할 수 있는 보행자(歩行者) 공간(空間)을 형성했다. 리켄에서 기증(寄贈)한 기념비를 와코역 앞에 설치하는 등, 여러 기념물(モニュメント)과 거리 이름 표지판(標識) 등이 설치되어 있다[1][2][3][5][9][10].
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